基于涡度相关的黄土高原沟壑区灌丛的水碳通量研究

作     者：张奎月 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘登峰;刘慧

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：灌丛 水碳通量 土壤呼吸 涡度相关 黄土高原 

摘      要：全球变暖趋势在持续,陆地生态系统中的水-碳循环不仅会对陆地表层系统的物质循环产生影响,也在能量循环中发挥着重要作用,是连接地球-大气-生物圈的重要纽带。在全球气候变化影响下,灌丛面积将增加,因此研究灌丛生态系统水碳循环过程和机制,对水资源配置和“双碳目标的实现具有重要意义。本研究以黄土高原沟壑区灌丛生态系统作为研究对象,利用淳化生态水文试验基地的涡度相关系统、EGM-5便携式土壤碳通量测定系统等仪器,采用2020年涡度观测数据和常规气象数据以及2020-2021年土壤呼吸速率观测数据,分析了黄土高原沟壑区灌丛生态系统水热通量、碳通量、蒸散发变化特征、土壤呼吸速率变化特征和水分利用效率变化规律,主要结论如下:(1)阐明研究区土壤剖面物理特征在多个时间尺度的变化规律。2020年黄土高原沟壑区灌丛生态系统浅层土壤的土壤温度日内变化趋势呈近似正弦曲线,随着土壤深度的增加,土壤温度的日内变化幅度减小。与深层土壤相比,浅层土壤的体积含水率变化波动较大,近似呈“正弦型曲线变化。土壤水势呈现“下降-上升-再下降-上升的季节变化规律。(2)揭示灌丛生态系统能量分配的变化规律。2020年黄土高原沟壑区灌丛生态系统各能量通量日内动态曲线为单峰型二次曲线,在日出时刻前后,显热通量与净辐射之比(H/Rn)的波谷、地表热通量与净辐射之比(G/Rn)的波谷与潜热通量与净辐射之比(LE/Rn)的波峰实现峰谷互补,在日落时刻前后H/Rn的波峰与G/Rn和LE/Rn的波谷出现互补现象。2020年灌丛生态系统全年净辐射总量为2385.6MJ/m2,在能量分配中,潜热通量占比最高,占净辐射总量的44.4%。2020年黄土高原沟壑区灌丛生态系统年波文比为0.7,能量闭合度为80%。(3)阐明灌丛生态系统的CO2交换量和总初级生产力的变化特征。2020年黄土高原沟壑区灌丛生态系统的净生态系统CO2交换量(NEE)日变化呈“U型。净生态系统CO2交换量(NEE)、生态系统总初级生产力(GPP)和生态系统呼吸量(Reco)季节变化动态曲线都呈夏季高、冬季低的“单峰型变化,NEE与GPP季节变化呈对称分布且两者变化趋势大致相同。全年NEE总量为-885.64mgCO2/m2/s,表明黄土高原沟壑区灌丛生态系统具有较强的碳汇功能,土壤温度是影响黄土高原沟壑区灌丛生态系统NEE变化的主要环境因子。(4)揭示灌丛生态系统的土壤呼吸速率变化特点及其影响因子。2020-2021年黄土高原沟壑区灌丛生态系统不同位置裸地观测点、地面保留植被观测点的土壤呼吸速率日内变化曲线为“单峰型。对2020-2021年灌丛生态系统土壤呼吸速率与5cm深度处土壤温度进行单因素指数模型拟合,土壤呼吸温度敏感性Q10为1.65,土壤温度是影响黄土高原沟壑区灌丛生态系统土壤呼吸速率变化的主要环境因子。(5)对比不同方法得到的蒸散发量并分析主要影响因素。2020年在黄土高原沟壑区灌丛生态系统用Penman-Monteith公式计算的日潜在蒸散发均值是3.4mm/d,高于涡度相关法计算的实际蒸散发量1.2mm/d,2020年灌丛生态系统作物系数为0.35,净辐射是影响灌丛生态系统实际蒸散发最显著的因素。(6)分析灌丛生态系统的水分利用效率及其影响因素。2020年黄土高原沟壑区灌丛生态系统日尺度水分利用效率(WUE)日均值为3.38gC/(kgH2O),WUE与净辐射和光合有效辐射呈负相关。